[논문]자동차용 강판의 MAG 용접시 최적용접조건 선정에 관한 연구

방한서; 방희선; 주성민; 노찬승; 성보람; 석한길

doi:10.5781/kwjs.2009.27.3.038

Abstract ▼ AI-Helper

The optimization of the welding parameters was studied to maximize the weldability and minimize the amount of spatter in the MAG welding of automotive steel sheets under different shielding gas composition ratio. JS-EFSC, JS-SPHC steel plates and Ar mixture gases were used as a substrate and shieldi...

The optimization of the welding parameters was studied to maximize the weldability and minimize the amount of spatter in the MAG welding of automotive steel sheets under different shielding gas composition ratio. JS-EFSC, JS-SPHC steel plates and Ar mixture gases were used as a substrate and shielding gas for welding respectively. The five welding parameters were selected through preliminary experiments and their effects on the weldability were analyzed. Experiments were performed using the Taguchi experimental method. As results, appropriate range for welding could be achieved. Amount of spatter in 80%Ar+20%$CO_2$ shielding gas was 20% of that of $CO_2$welding. Therefore, in terms of high productivity and welding cost, Ar mixture gas(80%Ar+20%$CO_2$) was recommended as a shielding gas for application of MAG process, indicating the low spatter and good weld quality.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 혼합가스조성이 용접특성 및 생산성 향상에 미치는 영향을 고찰하기 위해, 먼저 보호가스 조성변화에 따른 비드 외관용입, 스패터 발생량, 기계적 성질의 용접특성을 파악하고 용접생산성 향상조사를 위하여 고속용접실험을 실시하였다.
아울러 도출된 최적의 혼합가스 조성비를 토대로 공정주요변수에 따른 용접특성을 비교·평가하고, 용접 품질과 생산성 측면에 주안점을 두어 두께별 적합한 용접조건을 제시8)하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 현장에서 사용하고 있는 차량용 강판에 대하여 MAG 용접공정 실용화 기술을 산업현장에 보급⁷⁾을 목적으로, 기존에 사용 중인 탄산가스 대신 혼합가스를 사용하여 Ar 혼합가스 조성비에 따른 스패터 발생 및 용접성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 아울러 도출된 최적의 혼합가스 조성비를 토대로 공정주요변수에 따른 용접특성을 비교·평가하고, 용접 품질과 생산성 측면에 주안점을 두어 두께별 적합한 용접조건을 제시⁸⁾하고자 하였다.
현장에서 사용하고 있는 차량용 강판에 대한 품질향상 목적과 스패터 제거 등의 후처리 생략을 통한 생산성 향상을 위해, 자동차 차체 용접시 상대적으로 스패터 발생량이 적은 MAG 용접을 적용한 용접공정 기술개발 및 최적의 용접조건을 도출하고자 하였다.

제안 방법

각 공정의 주요변수(보호가스 혼합조성비, 유량, 전압, 전류, 용접속도 등)에 대한 Bead on Plate 및 맞대기용접을 실시하고, 실험 후 비드표면, 단면형상 관찰 및 경도 테스트를 통하여 적합한 용접조건을 선정하여 그 결과를 바탕으로 생산성 측면에 주안점을 두어 최적의 조건을 검토하였다.
두께별 적정 용접조건 및 각 조건에 대한 특성을 고찰하기 위하여, 용접이송시스템을 사용하여 아래보기 자세로 용접을 행한 후 보호가스의 변화와 용접성에 미치는 제 조건에 대한 평가를 실시하였다.
0mm로 하였다. 또한 각 가스에 대한 스패터 발생량을 조사하기 위하여 1분 동안 용접한후 측정하였다.
먼저 최적의 혼합가스조성비를 도출하기 위해, 보호가스의 혼합조성비에 따른 스패터 발생량 및 용접부의 기계적 성질(경도)을 평가하였다. 이때 용접시에 사용된 강재는 두께 1.
그리고 변수들간의 교호작용(interaction) 및 축차실험(sequentialexperiment)이 불가능 문제점을 해결하기 위해 반응표면분석법(response surface method)을 이용하여 다구찌 방법의 목적을 포함하는 방법을 이용하고, 호감도함수(desirability function)를 사용하여 최적용접조건을 선정하였다. 용접변수들은 예비실험을 통해 스패터 발생 및 용접성에 영향을 미치는 주요 변수로 보호가스 혼합조성비, 전류, 전압, 용접속도, 보호가스 유량의 5종류를 선택하였으며, 각 용접변수들에 대한 실험범위는 예비실험을 통해 범위를 결정하였으며 실험에 사용된 보호가스의 조성비는 Table 3에 나타내었다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 재료는 현장에서 사용하고 있는 자동차용 고강도 강판 JS-EFSC, JS-SPHC(시편의 두께 1.2, 2.0mm 2종)이고 화학적 조성비는 Table 1에 나타내었다.
사용된 와이어는 높은 용착효율을 목적으로 콘택트 팁과 전기적 접촉을 좋게 하고 산화방지를 위하여 표면에 구리 도금한 고장력강용 KC-28 Solid wire Ø0.9mm를 선택 사용하였다.

이론/모형

Fig. 2은 MAG 용접의 모식도이고, 용접공정의 최적화 방법으로 용접변수들의 영향을 적은 실험으로 체계적분석이 가능한 다꾸찌(Taguchi) 실험계획법을 사용하였다. 그리고 변수들간의 교호작용(interaction) 및 축차실험(sequentialexperiment)이 불가능 문제점을 해결하기 위해 반응표면분석법(response surface method)을 이용하여 다구찌 방법의 목적을 포함하는 방법을 이용하고, 호감도함수(desirability function)를 사용하여 최적용접조건을 선정하였다.
2은 MAG 용접의 모식도이고, 용접공정의 최적화 방법으로 용접변수들의 영향을 적은 실험으로 체계적분석이 가능한 다꾸찌(Taguchi) 실험계획법을 사용하였다. 그리고 변수들간의 교호작용(interaction) 및 축차실험(sequentialexperiment)이 불가능 문제점을 해결하기 위해 반응표면분석법(response surface method)을 이용하여 다구찌 방법의 목적을 포함하는 방법을 이용하고, 호감도함수(desirability function)를 사용하여 최적용접조건을 선정하였다. 용접변수들은 예비실험을 통해 스패터 발생 및 용접성에 영향을 미치는 주요 변수로 보호가스 혼합조성비, 전류, 전압, 용접속도, 보호가스 유량의 5종류를 선택하였으며, 각 용접변수들에 대한 실험범위는 예비실험을 통해 범위를 결정하였으며 실험에 사용된 보호가스의 조성비는 Table 3에 나타내었다.
위 회귀모델(regression model) 식(2)를 구하기 위해서는 많은 실험을 통해 관련 데이터를 얻어야한다. 이와 같이 실험을 통해 관련 데이터를 얻으려고 한다면, 수많은 시행착오와 경제적인 손실이 발생할 수 있으므로, 이러한 손실을 줄이고자 2차 회귀모델을 잘 반영하는 반응표면 실험계획법 중의 하나인 중심합성계획법(central composite design, CCD)을 사용하였다.

성능/효과

1) 보호가스로는 혼합조성비 80%Ar+20%CO₂가스패터 발생 저감 및 용접성 측면에서 효과적임을 확인할 수 있었다.
2) 유량은 실외에서는 풍속에 의해 21ℓ/min 이상을 유지해야하나 실내에서는 15ℓ/min도 무방하다고 사료된다.
3) 현장에서 요구하는 생산성 향상 및 품질 확보가 가능한 두께별 최적의 용접조건 즉, 두께가 1.2t는 88cm/min일 때, 두께가 2.0t 77cm/min일 때의 조건을 도출하였다.
2mm 강재에 대해 유량 15ℓ/min, 전류 90A, 용접속도44cm/min 조건에서 혼합가스조성비 변화에 대한 경도값으로, Ar 조성비가 증가할수록 용착금속의 경도값도 다소 증가함을 알 수 있었다. 그리고 혼합가스 조성비에 따른 스패터 발생량은 Fig. 4에 도시한바와 같이 Ar 조성비가 증가할수록 감소하다가 80%Ar 조성비에서 약3g/min로 수렴하는 경향을 보였으며, 기존의 100%CO₂ 보호가스를 이용시 스패터 발생량에 비해 보호가스 혼합조성비를 80%Ar 조성비로 변화시킨 경우 스패터 발생량이 75%정도 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 보호가스로는 혼합조성비 80%Ar+ 20%CO₂가 스패터발생 저감 및 용접성 측면에서 효과적이다고 사료된다.
4에 도시한바와 같이 Ar 조성비가 증가할수록 감소하다가 80%Ar 조성비에서 약3g/min로 수렴하는 경향을 보였으며, 기존의 100%CO₂ 보호가스를 이용시 스패터 발생량에 비해 보호가스 혼합조성비를 80%Ar 조성비로 변화시킨 경우 스패터 발생량이 75%정도 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 보호가스로는 혼합조성비 80%Ar+ 20%CO₂가 스패터발생 저감 및 용접성 측면에서 효과적이다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄산가스용접의 장점은?	자동차 산업에서 적용되고 있는 탄산가스용접은 다량의 스패터가 발생하고 비드 외관이 다소 불량하나 용착 속도가 빠르고 깊은 용입의 장점 및 탄산가스의 저렴한 가격 때문에 확대 적용되어 왔다. 그러나 모재표면에 부착된 다량의 스패터 발생의 문제는 스패터 제거를 위한 후처리 공정이 요구되므로 그로 인한 작업공수 증가로 생산속도의 저하 및 추가비용이 소요된다.
	저스패터화의 방안으로 선진국이 사용하는 것은?	유럽이나 일본 등 의 선진국에서는 저스패터화의 방안으로 차폐가스로 탄산가스 대신 혼합가스를 적절히 사용하여, 소위 MAG용접의 채용으로 용적이행을 정확히 제어하여 만족스러운 성과5)를 거두고 있다. 따라서 앞서 언급한 문제점 즉, 생산성향상 및 저스패터화 요구에 대한 문제점을 개선하기 위한 방법으로, 상대적으로 스패터 발생량이 적은 MAG 용접의 채용(차폐가스를 탄산가스 대신 혼합가스로 사용하는 방법), 인버터 용접기 및 적절한 와이어 채용 등 고능률 용접공정기술 적용이 절실히 요구되어진다6).
	탄산가스용접의 문제점은?	자동차 산업에서 적용되고 있는 탄산가스용접은 다량의 스패터가 발생하고 비드 외관이 다소 불량하나 용착 속도가 빠르고 깊은 용입의 장점 및 탄산가스의 저렴한 가격 때문에 확대 적용되어 왔다. 그러나 모재표면에 부착된 다량의 스패터 발생의 문제는 스패터 제거를 위한 후처리 공정이 요구되므로 그로 인한 작업공수 증가로 생산속도의 저하 및 추가비용이 소요된다. 또한 용접 중에 발생하는 탄산가스에 의한 열악한 작업환경으로 작업자의 작업 기피현상이 매우 심각하며, 아울러 인건비 상승과 용접사의 부족으로 탄산가스 사용의 경제성은 의문시 되고 있다. 이와 같이 상기 용접법의 저스패터화는 국내 자동차 산업을 비롯하여 박판을 사용하는 산업에서는 피할 수 없는 문제점1-4)으로 이에 대한 개선방안을 모색하는 것이 필요한 실정이다.

참고문헌 (8)

(社)日本鎔接協會編 : 炭酸ガス半自動ア―ク鎔接, 産報出版, (1996) (in Japanese)
H.Ushio et al : Effect of Shielding Gas Composition on Metal Transfer Phenomena in High Current GMA Welding, Trans. JWRI, 22 (1993) 7

상세보기
U.Dilthey and R.Killing : Calculating heat input with shielded metal pulsed arc welding, The Fabricator, (1989) 11
Takeshi SHINODA : Recent Trend of Research Activities of MAG Welding in Japan, The Korean Welding Society, (1994) 21
J. H. Kim et al : Current Waveform Control of Pulse MAG Welding Power Source for High Speed Welding of Thin Plates, The Korean Institute of Electrical Engineers, (1999) 571-578
T. W. Jang et al : No Root Cap Horizontal Buttwelding with MAG Process, International Journal of Korean Welding Society, (2003) 34-38
대한용접학회 용접편람 편찬위원회 편 : 용접/접합 편람 Ⅰ, Ⅱ, 대한용접학회(in Korean)
방한서 : 자동차 고품질을 위한 용접 매뉴얼 작성, 보고서 (in Korean)

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